파랑과 정사각형 배열의 원형 기둥 구조물의 상호작용 수치해석

송성진,박선호,Song, Seongjin,Park, Sunho 해양환경안전학회 2017 海洋環境安全學會誌 Vol.23 No.5

Accurate prediction of wave-structure interactions is important in the safety and design cost effectiveness of fixed and floating offshore structures exposed to extreme environmental conditions. In this study, regular waves and circular column structure interactions for four circular columns in regular waves are analyzed. To simulate 3D two-phase flow, open source computational fluid dynamics libraries, called OpenFOAM, were used. When the four circular columns are arranged in a square array, the interactions according to the incident slopes of the regular waves are analyzed. The wave run-up in the circular column surface was compared according to the slope of the incident wave. It was confirmed that high amplitude waves are generated between the circular columns due to the interaction between the circular column and the incident wave. It is expected that this analytical result will be used as the basic data of the study on the air gap due to the interaction between the structure and incident wave. 해양환경의 극한 환경조건에 노출 된 고정식 및 부유식 해양구조물의 안전성과 설계비용 효율성에 있어서 파랑-구조물 상호작용의 정확한 예측은 중요하다. 본 연구에서는 규칙파 중 원형 기둥에 대한 파랑-구조물 상호작용을 해석하였다. 3차원 이상유동(two-phase flow)을 해석하기 위해 오픈소스 전산유체역학 라이브러리인 오픈폼을 사용하였다. 4개의 원형기둥이 정사각형 배열을 이루고 있을 때 규칙파의 입사각도에 따른 상호작용을 해석하였다. 원형 기둥 구조물에서의 wave run-up을 입사파의 기울기에 따라 비교하였다. 원형 기둥과 입사파의 상호작용으로 인해 원형 기둥 사이에 높은 파가 생성되는 것을 확인하였다. 본 해석 결과는 구조물과 입사파의 상호작용에 의한 air gap에 대한 연구의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

CFD-DEM 연계기법을 이용한 모노파일 주위 입자 거동과 세굴현상에 대한 수치해석

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.11

본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 모노파일 주위에서의 흐름과 입자 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 유체와 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 고려하기 위해 Eulerian 기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian 기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성하여 해석을 진행하였다. 해석코드는 소스코드가 공개된 전산유체역학과 이산요소법 라이브러리를 각각 활용한 연계기법을 사용하였다. 경계층 영역에서 모래 입자의 수송을 검증하고, 해석 결과는 Eulerian 기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험 결과와 비교하였다. 해석 결과, Eulerian 기반의 전산유체역학 해석에서 예측이 어려웠던 세굴 심도를 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. In this study, the scour and the behavior of sediment particles around a monopile exposed to a current were investigated. In order to consider the interaction between the particles on the seabed and the current, the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were compared with experimental data for the validation of the transport of sand particles in the boundary layer region. From the results, the scouring depth obtained by the developed method was more accurate than that by the Eulerian-based CFD.

개선된 CFD-DEM 모델링 방법 및 해양구조물에의 적용

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2019 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11

본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 모노파일 주위에서의 유체 흐름과 퇴적물 입자의 거동을 해석하기 위해 Eulerian-Lagrangian 접근법을 이용하였다. 유체와 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 고려하기 위해 소스코드가 공개된 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)과 이산요소법 (Discrete Element Method, DEM) 라이브러리를 각각 활용한 연계기법을 사용하였다. CFD-DEM 연성에는 일반적으로 격자 내의 입자 정보를 매핑하여 평균 및 보간한다. 본 논문에서는 격자 의존도를 최소화하기 위해 가우시안 커널 함수를 이용한 평균화 기법을 제시하였다. 수치 기법을 검증하기 위해 입자의 종단속도, 안식각 그리고 경계층 영역에서 입자의 초기 운동 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 최종적으로, 모노파일 주위에서 발생하는 세굴을 예측하였다. In this study, an Eulerian-Lagrangian approach was used to investigate the fluid flow and the behavior of sediment particles around a monopile exposed to a current. In order to consider the interaction between the particles on the seabed and the current, the solver was developed using the open source libraries for a computational fluid dynamics (CFD) and a discrete element method (DEM). In a CFD-DEM coupling, particle information within an Eulerian grid is generally averaged and interpolated by mapping. This paper suggested an averaging method based on the Gaussian kernel function to reduce the grid dependancy. To validate numerical methods, a settling velocity of a single particle, an angle of repose and an incipient motion of particles in a boundary layer were simulated and compared with the experimental data. Finally, a scour around the monopole was predicted and discussed.

CFD-DEM 연계 모델을 이용한 파이프라인 세굴 해석

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2020 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.7

본 연구에서는 CFD-DEM 연계 모델을 이용하여 해저파이프라인 주위에서의 유체 흐름과 토사수송을 해석하였다. 해류와 해저지반의 상호작용을 고려하기 위해 소스코드가 공개된 전산 유체역학 (Computational fluid dynamics, CFD)과 이산요소법 (Discrete element method, DEM) 라이브러리를 각각 활용한 연계기법을 사용하였다. 조밀한 입자유동을 해석하기 위해 unresolved CFD-DEM 연계 모델을 사용하였다. 본 논문에서는 입자 지름과 격자크기 비에 대한 제한을 완화하기 위해 커널 함수를 이용한 평균화 기법을 제시하였다. 수치 기법을 검증하기 위해 입자의 종단속도, 안식각 그리고 입자의 초기 운동 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 최종적으로, 해저 파이프라인 주위에서 발생하는 세굴을 해석하였다. In this study, a coupled computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) model was used to simulate the fluid flow and sediment transport around a subsea pipeline. In order to consider the interaction between the seabed and a current, the solver was developed using the open source libraries for CFD and DEM. For dense particle flow, the unresolved CFD and DEM coupling model was used. This paper suggested an averaging method based on the kernel function to reduce the limitation on particle diameter to fluid grid size ratio. To validate numerical methods, a settling velocity of a single particle, an angle of repose and an incipient motion of particles were simulated and compared with the experimental data. Finally, the scour process around a subsea pipeline was investigated and discussed.

CFD-DEM 연계기법을 활용한 고정식 해양구조물의 모노파일 주위 유동 및 세굴해석

송성진(Seongjin Song),전우영(Wooyoung Jeon),박선호(Sunho Park) 한국해양공학회 2019 韓國海洋工學會誌 Vol.33 No.3

When an offshore foundation is exposed to waves and currents, local scour could develop around a pile and even lead to structural failure. Therefore, understanding and predicting the scour due to sediment transport around foundations are important in the engineering design. In this study, the flow and scour around a monopole foundation exposed to a current were investigated using a method that coupled the computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM). The open source computation fluid dynamics library OpenFOAM and a sediment transport library were coupled in the OpenFOAM platform. The incipient motion of the particle was validated. The flow fields and sediment transport around the monopole were simulated. The scour depth development was simulated and compared with existing experimental data. For the upstream scour hole, the equilibrium scour depth could be reproduced qualitatively, and it was underestimated by about 23%.

개선된 평균화 기법을 이용한 CFD-DEM 모델링

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2019 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

CFD-DEM 연계기법을 이용한 원형 파일 주위 입자의 거동과 침식현상에 대한 수치해석 연구

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2018 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

해상풍력터빈 하부 구조물의 주위의 표사유동에 의한 세굴을 정확하게 예측하는 것은 구조물의 안정성에 있어서 매우 중요한 이슈이다. 이에 본 연구에서는 해류에 노출되어 있는 원형파일 주위에서의 흐름과 퇴적물 입자의 거동을 해석하여 세굴현상을 연구하였다. 해저면의 유체의 흐름과 해저지반을 구성하는 입자의 상호작용을 해석하기 위해 Eulerian기반의 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Lagrangian기반의 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성을 하여 해석을 진행하였다. 전산유체역학과 이산요소법은 각각 소스코드가 공개된 라이브러리를 활용하여 개발하였다. 해석 결과는 Eulerian기반의 전산유체역학 해석결과 및 실험결과와 비교하였다. 해석 결과 Eulerian기반의 전산유체역학 해석에서는 세굴의 영역은 예측이 가능했던 반면 심도의 예측은 어려웠던 반면에 개발한 방법은 심도도 보다 정도 높게 예측할 수 있었다. An accurate prediction of a scour phenomenon due to the sediment transportation has been a important issue for offshore sub-structures. In this study, the scour phenomenon and flow field around the offshore sub-structure were studied. the coupling between a computational fluid dynamics (CFD) based on the Eulerian approach and a discrete element method (DEM) based on the Lagrangian approach was carried out. The solver was developed using the open source libraries for the CFD and the DEM. The results were comparied with the CFD results and experimental data. From the results, The developed method could predict the scour width and depth, while the CFD could predict the scour width.

전산유체역학을 이용한 규칙파와 원형 기둥 구조물의 상호작용 해석

송성진(Seongjin Song),박선호(Sunho Park) 한국해양환경·에너지학회 2017 한국해양환경·에너지학회지 Vol.20 No.2

2000cbm 액화수소 저장탱크 단열시스템 설계

김건우(Gun Woo Kim),송성진(Seongjin Song),기민석(Min Suk Ki),박병재(Byoungjae Park),정동호(Dong-Ho Jung) 한국해양환경·에너지학회 2023 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2023 No.05

규칙파 중 원형 기둥에서의 파랑 구조물 상호작용 수치해석

박선호(Sunho Park),송성진(Seongjin Song) 한국해양환경·에너지학회 2016 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.11

해양환경에서 파랑 구조물 상호작용의 정확한 예측은 극한 환경조건에 노출 된 고정식 및 부유식 해양 구조물의 안정성과 설계비용 효율성에 있어서 중요하다. 본 연구에서는 규칙파 중 수면을 관통하는 수직 단일 원형실린더에 작용하는 wave run-up에 대해 시뮬레이션을 하였다. 3차원 이상유동(two-phase flow)을 해석하기 위해 오픈소스 전산유체역학 라이브러리인 OpenFOAM을 사용하였다. 수치파랑수조에서 파를 생성 및 흡수하기 위해 소스항을 이용한 relaxation method를 적용하였다. 이러한 기법은 경계면에서 발생하는 반사파를 방지한다. 수치기법을 검증하기 위해 생성된 2차 스톡스 파형은 심해조건에서의 이론적인 해와 비교하였다. 이러한 검증과정을 통해 파장과 진폭에 대한 길이 및 높이 방향의 격자크기를 정하였다. 수면을 관통하는 수직 실린더에 작용하는 wave run-up과 파랑 하중은 기존의 실험 데이터와 비교하고 연구하였다. In offshore environment, an accurate estimation of a wave-structure interaction is an important issue for safe and cost effective design of fixed and floating offshore structures exposed to a harsh environment. In this study, a wave run-up around the vertical surface piercing cylinder was investigated with the regular waves. To simulate 3D two-phase flow, open source computational fluid dynamics libraries, called OpenFOAM, were used. Wave generation and absorption in the wave tank were activated by the relaxation method, which used a source term. The relaxation method could prevent the wave reflection at the boundaries. To validate the numerical methods, generated Stoke 2nd order wave profiles were compared with the analytic solution with deep water condition. From the validation test, grid longitudinal and vertical sizes for the wave length and amplitude were selected. The simulated wave run-up and wave loads on the vertical surface piercing cylinder were studied and compared with existing experimental data.